專利名稱：一種智能汽車空氣質量流量計的制作方法
技術領域：
本發明涉及氣體流量計，具體說是一種不需增加引線的智能汽車空氣質量流量 計。
背景技術：
熱式汽車空氣質量流量測量利用熱交換原理來實現。汽車用空氣質量流量計安裝 在汽車濾清器和節氣門之間的進氣通道上，用來測量吸入發動機中的空氣量，其輸出信號 作為汽車發動機燃油電噴系統中控制燃油噴射量的主要參數，決定汽車的基本噴油量和噴 油時間。空氣質量流量計對整車性能影響很大，直接影響汽車發動機的動力性、經濟性、油 耗、尾氣排放指標等總體性能。熱式空氣流量計傳感器部分主要有恒溫差式和熱分布式兩種方法。圖1是恒溫差 工作方式的空氣流量傳感器，在恒溫差式方式工作下，流量計控制發熱電阻高于環境溫度 一個固定值，當空氣流過發熱的電阻時，將帶走一部分熱量，流量計為維持恒定的溫差就必 須提供比靜止空氣下更多能量以補充帶走的熱量。傳統的方法是流量計將流量傳感器1的輸出信號使用運算放大器放大和整形，使 其輸出為所要求的流量/輸出電壓關系。這種方法存在以下弊病1.運算電路復雜，使用 大量元器件，因而降低了流量計的可靠性；2.由于發熱電阻不可能具有完全相同的幾何形 狀和電阻阻值，因而不同的流量傳感器在同一流量下輸出的電信號會有誤差，這就要求調 整運算電路的元件參數，使流量計滿足規定的流量/輸出電壓關系，導致生產工藝復雜，生 產效率低下；3.由于電路中大量電阻都要求是非標準的精密電阻，要保證精度，就必須大 量使用激光調阻，增加生產成本，而激光調阻前不能確定傳感器輸出信號隨流量的準確變 化關系，因而即便使用激光調阻，也很難滿足精度的要求。日本發明專利申請公開號CN 1451093A提出一個解決辦法，其流量計中的控制電 路使用DSP進行控制，通過高于二次表達式的多項表達式的函數，使用軟件方法來實現流 量/輸出電壓關系的校準。這種方法實際存在幾個問題，1.由于外加了 SCI總線，使得流量 計引腳與當前各車型配套使用的流量計無法兼容。2.如果SCI總線從流量計的其它部位 引出，將破壞傳感器的校準過程中的流體流場，因而使校準流場與實際使用流場不同產生 誤差，實際上傳感器的校準過程幾乎無法進行；3.在流量/電壓輸出的過程中，只使用單一 函數來擬合目標輸出特性，使得目標輸出曲線和校準后的輸出特性曲線依然存在較大的誤 差。專利CN 201034658Y認為日本發明專利申請公開號CN 1451093A所述方法成本高 而無法得到實際應用，從而使用單片機通過ISP總線來達到日本專利CN 201034658Y的目 的，但同樣必須使用額外增加的引線，實際上沒有解決原來的問題。由于不能改變流量計的標準連接接口，而額外增加的引線的存在，無論在生產、試 驗或實際應用中，該引線的位置和形態變化都增加了空氣通道流場的不確定性，使輸出數 據相對于原始流量計發生了變化。
發明內容
本發明的目的是提供一種不需增加引線的智能汽車空氣質量流量計，流量計在不 增加外引線條件下可以實現與計算機的數據交換，采用樣條插值函數進行輸出特性曲線的 校準。這種流量計與目前市場上的流量計完全兼容，在進行校準過程中無需增加任何連線， 因而可保證校準和實際使用時流場的一致性，采用二次或者二次以上樣條插值函數進行輸 出特性曲線的校準，對流量/輸出電壓關系進行分段擬合，可以得到很高的精度。通過這個 發明，可以使用同樣的電路和元器件參數，大批量生產用于不同規格和型號的汽車流量計， 從而本質上改變了該領域的生產模式，使得一種全新的汽車空氣質量流量計的生產方法得 以誕生。所述智能汽車空氣質量流量計，包括流量傳感器和智能控制電路，流量傳感器的 電壓輸出端與智能控制電路的A/D轉換器輸入端連接，并且經過數字處理器擬合標準流量 /電壓曲線計算后由D/A轉換器輸出，智能控制電路通過原有接口與汽車E⑶實現電連接， 其特征是所述智能控制電路與外部校準計算機進行數據交換使用以下二種方式之一①、所述智能控制電路與外部校準計算機進行數據交換方式之一是，原有接口的 電壓輸出引腳同時作為傳感器信號已校準電壓輸出引腳和與外部校準計算機進行數據交 換的復用引腳，該電壓/通信復用引腳在智能控制電路內與信號混合單元連接；②、所述智能控制電路與外部校準計算機進行數據交換方式之二是，在所述智能 控制電路內設有無線通訊模塊，數字處理器通過無線通訊模塊與外部校準計算機進行數據 交換，無線通訊模塊與數字處理器通過數據線及控制線相互連接。所述智能汽車空氣質量流量計，包括流量傳感器和智能控制電路。流量傳感器的 電壓輸出端與智能控制電路的A/D轉換器輸入端連接，在工作情況下，經過數字處理器按 照二次或者二次以上樣條插值函數計算方法計算出輸出電壓，并由D/A轉換器輸出到原有 接口，與汽車E⑶實現電連接；在校準情況下，可以在不增加額外引線的條件下，通過有線 或者無線兩種方式與外部校準計算機進行數據交換，其中有線方式是利用DTMF或者調制 解調器與D/A輸出信號混合，實現汽車空氣質量流量計電壓輸出引腳與計算機進行數據交 換，無線方式是利用內帶調制解調的無線通訊模塊收發計算機傳送的數據，接收并保存來 自計算機產生的算法，可以模擬任何現存汽車流量計的流量/電壓輸出特性。該流量計工作在汽車進氣濾清器和發動機進氣門之間，流量計內部設有流量傳感 器和流量計智能控制電路。流量傳感器輸出帶有空氣流量信息的電信號，此電信號的大小 與空氣的質量流量成單調上升關系；流量傳感器將電信號輸入到智能控制電路，智能控制 電路將電信號經過A/D轉換成數字信號，CPU或數字處理器按照二次或者二次以上樣條插 值函數計算輸出電壓，并經過D/A轉換輸出表征流量大小的電壓，從原有接口輸出到汽車 ECU單元。作為一種實施例，使用單一復用線與外部計算機通訊方式中，所述智能控制電路， 將D/A轉換器輸出信號與DTMF編碼器或者調制解調器輸出信號經過信號混合單元混合后 從電壓/通信復用引腳輸出，所述DTMF編碼器與數字處理器通過數據線及控制線相互連 接。所述原有接口的電壓輸出引腳同時作為傳感器信號已校準電壓輸出引腳和數據通信的 復用引腳，該電壓/通信復用弓丨腳在智能控制電路內與信號混合單元連接。
作為另一種實施例，所述智能控制電路內設無線通訊模塊，數字處理器通過無線 通訊模塊與外部校準計算機進行數據交換，無線通訊模塊與數字處理器通過數據線及控制 線相互連接。所述無線通訊模塊可以使用下述無線通訊方式之一 UWB(超寬頻)、ZigBee、 Bluetooth (藍牙)、Wi-Fi (無線局域網)、NFC (短距離通訊)、RFID (射頻識別)。無線通 訊模塊也不局限于使用以上六種近距離通訊方式，無線通訊技術還有DECT、無線1394等其 它技術，都屬于本專利無線通訊模塊的范疇。由于流量計體積和結構的限制，智能控制電路部分可以集成到一個芯片內。所述流量傳感器是下述之任一種厚膜或薄膜熱電阻所構成的惠斯登電橋的一部 分、恒溫差式空氣質量流量傳感器、熱分布式空氣質量流量傳感器。所述智能控制電路其已校準電壓輸出引腳的輸出特性按照二次或者二次以上樣 條插值函數或其它插值方式獲取。來改變已校準電壓輸出引腳所輸出的流量/輸出電壓關 系，以擬合各種不同輸入/輸出特性的流量計。本發明可以在不增加通訊引線的條件下，利用現有汽車空氣流量計引腳與計算機 進行數據交換，并對于流量計的氣體流量/輸出電壓關系采用二次或者二次以上樣條插值 函數來進行函數變換，以精確擬合任何單調變化的輸入/輸出函數要求，因此采用同一種 電路可以方便的使用生產線校準裝置進行批量生產目前汽車市場上任何空氣流量計，并且 可以對成品進行重復校準，從而大大提高產品質量，簡化了生產過程，降低了生產和庫存成 本。
圖1是本發明單線復用實施例電路結構框圖示意圖，圖2是本發明無線通訊實施例電路結構框圖示意圖，圖3是本發明實施例結構主視圖，圖4是汽車空氣質量流量計的接口結構示意圖。圖中1-流量傳感器，2-智能控制電路，3-Rhl電阻，4-A/D 二，5_數字處理器， 6-D/A轉換器，7-信號混合單元，8-DTMF編碼器或調制器，9-A/D 一，10-加熱電阻Rh，11-橋 路電壓采集點M，12-測溫電阻Rk，13-空氣通道，14-原有接口，15-電壓/通信復用引腳， 16-無線通訊模塊。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明該流量計工作在汽車進氣濾清器和 發動機進氣門之間，流量計內部設有流量傳感器1和流量計智能控制電路2。如圖1、2中所 示，流量傳感器1可以是恒溫差式的熱式空氣質量流量傳感器，也可以是熱分布式的空氣 質量流量傳感器；對應于圖1實施例來說，傳感器工作時它置于測量管道中，并自動控制加 熱電阻Rh 10比測溫電阻Rk 12高出一恒定溫度，當空氣流過傳感器時，帶走傳感器Rh上 的熱量或改變傳感器探頭中的熱分布，流量傳感器輸出帶有空氣流量信息的電信號，此電 信號的大小與空氣的質量流量成單調上升關系；流量傳感器1將電信號輸入到智能控制電 路2，智能控制電路2將電信號經過A/D轉換成數字信號，數字處理器5按照二次或二次以 上樣條函數插值計算輸出電壓，并經過D/A轉換輸出表征流量大小的電壓。
如圖1、2所示，所述智能汽車空氣質量流量計，包括流量傳感器1和智能控制電路 2，流量傳感器1的電壓輸出端與智能控制電路2的A/D轉換器4、9的輸入端連接，并且經 過數字處理器校準后由D/A轉換器6輸出，智能控制電路2通過原有接口 14與汽車E⑶實 現電連接。作為與生產線計算機進行校準的通訊方式，如圖1，通訊方式之一是使用原原有接 口的輸出信號線復用為數據通訊線，所述原有接口 14的電壓輸出引腳同時作為傳感器信 號已校準電壓輸出引腳和數據通信的復用引腳，該電壓/通信復用引腳15在智能控制電路 2內與信號混合單元7連接。數字處理器5通過一個三態可控的DTMF或MODEM與D/A并 聯，作為流量計的輸出。所述智能控制電路2，將D/A轉換器6輸出信號與調制解調器或者DTMF編碼器8 輸出信號經過信號混合單元7混合后從電壓/通信復用引腳15輸出，所述調制解調器或者 DTMF編碼器8與數字處理器5通過數據線及控制線相互連接。作為與生產線計算機進行校準的通訊方式，如圖2所示，另一種通訊方式是所述 智能控制電路2內設無線通訊模塊16，數字處理器5通過無線通訊模塊16與外部校準計算 機進行數據交換，無線通訊模塊16與數字處理器5通過數據線及控制線相互連接。所述無 線通訊模塊可以使用下述無線通訊方式之一 UWB(超寬頻)、ZigBee、Bluetooth(藍牙)、 Wi-Fi (無線局域網)、NFC (短距離通訊)、RFID (射頻識別)。無線通訊模塊16也不局限于 使用以上六種近距離通訊方式，無線通訊技術還有DECT、無線1394等其它技術，都屬于本 專利無線通訊模塊的范疇。所述流量傳感器1是下述之任一種厚膜或薄膜熱電阻所構成的惠斯登電橋的一 部分、恒溫差式熱式空氣質量流量傳感器、熱分布式空氣質量流量傳感器。所述智能控制電路2，其數字處理器5按照二次或者二次以上樣條插值函數或其 它插值方式計算，來改變已校準電壓輸出引腳所輸出的流量/輸出電壓關系，以擬合各種 不同輸入/輸出特性的流量計。本發明流量計涉及如下方案一)、環境溫度的測量如圖1實施例所示，CPU或者數字處理器5通過兩路A/D分別采集惠斯登電橋的 平衡電壓和橋路電壓，A/D — 9采集平衡電壓，即Rhl電阻3兩端電壓Vhl，A/D 二 4采集橋 路電壓采集點M 11的橋路電壓Vt ；設Rhl電阻的阻值為Rhl，由此可計算出加熱回路的電 流 Ihl Ihl = -(1)
Rhl由(1)可計算出此時加熱電阻的阻值，由于已知加熱電阻的溫度系數和溫差值， 進而可計算出當前流量計所處環境的溫度，為溫度補償計算提供依據。二)、二次樣條插值計算流量/輸出電壓關系在滿程流量的范圍內，按照傳感器信號大小近似均勻分布取N個校準點VinO，
Vinl......Vinn, VinO對應零流量時的傳感器輸出電壓，Vinn對應流量計最大流量時的傳
感器輸出電壓，任意兩點Vin(i-1)-Vin(i-Ι)的差值盡可能相等，以提高計算的精度；如果 要求輸出的電壓對應為VoO，Vo 1......Von，其中VoO對應零流量時的輸出電壓，Von對應流量計最大流量時的流量計輸出電壓，由VinO、Vinl、Vin2、Vin3和對應的VoO、Vol、Vo2、Vo3 四點可在計算機上回歸出二次函數Voutl = Al+Bl*Vin+Cl*Vin*Vin(2)式中，Voutl表示校準點1處的輸出電壓，Al、Bi、Cl為常數。最后四點 Vin (n-3)、Vin (n_2)、Vin (n_l)、Vinn 和對應的 Vo (n_3)、Vo (n_2)、 Vo (n-1), Von四點可在計算機上回歸出二次函數Vout(n-3) = A(n-3)+B(n-3)*Vin+C(n-3)*Vin*Vin (3)式中，Vout (n-3)表示校準點n_3處的輸出電壓，A (n_3)、B (n_3)、C (n_3)為常數。四點采樣是為了保證二次函數的收斂。對于所檢測到的傳感器輸出任意電壓Vin，根據Vin處于VinO到Virm的位置，決 定所選取的計算表達式。N+1個校準點的傳感器輸出電壓在校準過程中被傳送給計算機，計算機根據目標 輸出電壓計算出表達式Vout(i) = A(i)+B(i)*Vin+C(i)*Vin*Vin (4)上式中i = 1 n_3，Vout(i)表示校準點i處的輸出電壓，A(i)、B(i)和C(i)為常數。所有常數A(i)、B(i)和C(i)由計算機計算出并傳輸到流量計中的非易失性存儲器里。對于所檢測到的傳感器輸出任意電壓Vin，流量計根據Vin處于VinO到Virm的位 置，決定所選取的計算表達式，類似的算法也用于溫度補償的計算。三)、流量計與計算機的數據交換本發明的重點是流量計與計算機的數據交換。流量計的電壓輸出和調制信號的數 據傳輸是通過同一引腳的連線實現的，或者通過無線通訊模塊16作為與生產線計算機進 行數據傳輸的。申請號為CN201034658Y、CN 1451093A的專利同樣必須使用額外增加的引 線，實際上沒有解決原來的問題，使得流量計無法實現真正的統一電路元件和參數在大批 量生產中適應于各種汽車車型，而其輸出的傳感器流量電壓信號又能夠符合不同車型的不 同要求。從圖3、4的流量計外形結構可以看到，流量計的外形，特別是與ECU的信號接口已 經是確定不變的，原有接口 14的5個引腳已分別被電源和傳感器輸出信號線所占據，申請 號為CN 201034658Y、CN 1451093A的專利使用額外增加的引線，由于額外增加的引線的存 在，該引線的位置和形態變化都增加了空氣通道13流場的不確定性，使輸出數據相對于原 始流量計發生了變化。同時由于本發明流量計在不改變原來流量計原有接口和形狀的情況 下，與外部計算機有了可以進行數據通訊的方式，使得流量計在已封裝情況下仍然可以對 智能控制電路的核心算法進行重復更新，用以擬合不同車型的不同輸出曲線和適應不同的 發動機進氣通道狀態。本發明在使用電壓/通信復用引腳15方式中，在智能控制電路2中，使用了電壓 信號和數據信息的復合技術，以DTMF為例，DTMF模塊通過兩組頻率，高頻群(4個頻率)和 低頻群(4個頻率)的組合，得到16種狀態，調制信號與輸出電壓并聯，使輸出電壓攜帶調 制信號，在計算機一端同時安置一個DTMF收發模塊，解調流量計的信號。在正常工作狀態(不與計算機通訊的狀態)，CPU控制DTMF模塊處于接近高阻狀態的接受狀態，流量計采集傳感器的流量和溫度信號，根據非易失性存儲器中的數據計算 輸出電壓，經D/A轉換器輸出到流量計的輸出端。在需要流量計與計算機的時候，計算機首先發出經調制的信號，流量計中的DTMF 模塊解調信號并轉換為0-15的數字，CPU根據所接收到的數據進行與計算機的數據交換。電路模塊OUT的作用是適當的控制D/A輸出和DTMF模塊的輸出阻抗，使調制信號 的幅度在30 50mVp-p之間。
權利要求
一種智能汽車空氣質量流量計，包括流量傳感器和智能控制電路，流量傳感器的電壓輸出端與智能控制電路的A/D轉換器輸入端連接，并且經過數字處理器擬合標準流量/電壓曲線計算后由D/A轉換器輸出，智能控制電路通過原有接口與汽車ECU實現電連接，其特征是所述智能控制電路與外部校準計算機進行數據交換使用以下二種方式之一①、所述智能控制電路與外部校準計算機進行數據交換方式之一是，原有接口(14)的電壓輸出引腳同時作為傳感器信號已校準電壓輸出引腳和與外部校準計算機進行數據交換的復用引腳，該電壓/通信復用引腳(15)在智能控制電路(2)內與信號混合單元(7)連接；②、所述智能控制電路與外部校準計算機進行數據交換方式之二是，在所述智能控制電路(2)內設有無線通訊模塊(16)，數字處理器(5)通過無線通訊模塊(16)與外部校準計算機進行數據交換，無線通訊模塊(16)與數字處理器(5)通過數據線及控制線相互連接。
2.根據權利要求1所述的智能汽車空氣質量流量計，其特征是所述帶有信號混合單 元(7)的智能控制電路(2)，將D/A轉換器(6)輸出信號與DTMF編碼器或者調制解調器(8) 輸出信號經過信號混合單元(7)混合后從電壓/通信復用引腳(15)輸出，所述DTMF編碼 器或者調制解調器(8)與數字處理器(5)通過數據線及控制線相互連接。
3.根據權利要求1所述的智能汽車空氣質量流量計，其特征是所述無線通訊模塊 (16)使用下述無線通訊方式之一超寬頻UWB、藍牙、無線局域網Wi-Fi、短距離通訊NFC、射 頻識別RFID。
4.根據權利要求1所述的智能汽車空氣質量流量計，其特征是所述流量傳感器(1) 是下述之任一種厚膜或薄膜熱電阻所構成的惠斯登電橋的一部分、恒溫差式空氣質量流 量傳感器、熱分布式空氣質量流量傳感器。
5.根據權利要求1或2或3所述的智能汽車空氣質量流量計，其特征是所述智能控 制電路(2)其已校準電壓輸出引腳的輸出特性按照二次或者二次以上樣條插值函數或其 它插值方式獲取。
全文摘要
一種智能汽車空氣質量流量計，包括流量傳感器和智能控制電路，智能控制電路通過原有接口與汽車ECU實現電連接，其特征是所述智能控制電路與外部校準計算機進行數據交換使用以下二種方式之一①、所述原有接口的電壓輸出引腳同時作為傳感器信號已校準電壓輸出引腳和與外部校準計算機進行數據交換的復用引腳；②、在所述智能控制電路內設有無線通訊模塊，數字處理器通過無線通訊模塊與外部校準計算機進行數據交換。因此采用同一種電路可以方便的使用校準裝置進行批量生產目前汽車市場上任何空氣流量計，并可以更新算法，從而大大提高了產品質量，簡化了生產過程，降低了生產和庫存成本。
文檔編號G01F1/76GK101943591SQ20091006311
公開日2011年1月12日 申請日期2009年7月10日 優先權日2009年7月10日
發明者修婉靖, 柳青, 王紅玲 申請人:武漢華瑞同創科技有限公司
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